Результат интеллектуальной деятельности: Способ восстановления формы асферической поверхности оптической детали по параметрам отраженного волнового фронта, получаемым приборами с датчиками волнового фронта (ДВФ)

1. Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к разработкам в области измерительных оптических систем и может применяться в системах контроля качества и других областях оптической промышленности.

2. Уровень техники

Задача восстановления формы асферической поверхности оптической детали является достаточно важной и актуальной, особенно в области высокоточных и астрономических оптических систем.

Существует способ контроля формы асферических поверхностей второго порядка с использованием анаберрационных точек, описанный в патенте RU №2396513, использующий сложную оптическую систему и достаточно трудоемкий с точки зрения юстировочных операций. Также известны способы контроля качества асферической поверхности с помощью интерферометра, которые предполагают наличие в измерительной ветви оптического корректора хода лучей для измерения отклонений формы поверхности от эталонной (Д.Т. Пуряев «Методы контроля оптических асферических поверхностей», Москва: Машиностроение, 1976 г.). В настоящее время линзовые оптические корректоры заменяются на голографические, называемые дифракционными оптическими элементами (ДОЭ), используемыми в интерферометрах, сделанных по различным схемам (авторское свидетельство SU 1017923, патент на изобретение RU №2534435).

Однако все эти способы не позволяют получить уравнение формы асферической поверхности в явном виде и требуют для своего осуществления изготовления дорогостоящего оптического корректора. В силу выше изложенного, в качестве прототипа выбран способ измерения радиуса кривизны поверхности оптической детали, описанный в патенте RU 2667323 (Способ и устройство дифференциального определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей с использованием датчика волнового фронта).

В прототипном способе измеряют радиус кривизны сферической поверхности R_з дифференциальной методикой, вычисляя его по формуле

где Δ_з и Δ_эт - смещения прибора относительно точки автоколлимации для измеряемого и эталонного зеркала, соответственно, дающие одинаковую величину радиуса кривизны волнового фронта, регистрируемого ДВФ, а R_эт - радиус эталонного зеркала.

В самом деле, для получения уравнения формы асферической поверхности такого измерения недостаточно, поскольку при установке в прибор асферической оптической детали такие измерения дадут лишь радиус ближайшей сферы. В результате ограничением такого способа будет невозможность контроля несферических поверхностей. Тем не менее, для получения уравнения асферической поверхности необходимо знать радиус ближайшей сферы, поэтому в качестве прототипа выбран способ, позволяющий это сделать.

3. Раскрытие изобретения

Для решения поставленной задачи был разработан новый способ, в котором после измерения радиуса ближайшей сферы R_з (отклонение от которой у асферической поверхности минимально) необходимо зафиксировать отклонение волнового фронта W_as от ближайшего сферического волнового фронта W_s с радиусом R_з в положении начальной установки для измеряемой асферической оптической детали (когда совпадение центра кривизны ближайшей сферы и фокуса насадки прибора обеспечат автоколлимационный ход лучей, контролируемый по получению плоского волнового фронта на ДВФ). Затем, учитывая, что W_as это удвоенная величина отклонения самой измеряемой поверхности, необходимо сложить полученный сферический волновой фронт W_s с величиной W_as/2, т.е получить сумму

Эта сумма будет полностью соответствовать форме измеряемой асферической поверхности. Для того, чтобы получить уравнение поверхности в каноническом виде достаточно любым математическим способом (например, методом наименьших квадратов) подобрать коэффициенты этого канонического уравнения формы асферической поверхности, приравняв его указанной выше сумме:

где А₄, А₆, A₈, … - коэффициенты соответствующего порядка асферики, k - коническая константа, ρ - радиальная координата на зрачке, R - радиус вершинной сферы, который в случае асферики второго порядка соотносится с измеренным радиусом R_з ближайшей сферы соотношением:

и, соответственно,

где h - половина светового диаметра исследуемой поверхности. Для асферики более высоких порядков выражение будет в первом приближении таким же, однако, численными методами все неизвестные коэффициенты в выражении (2) подбираются достаточно просто.

Таким образом, предлагаемый способ восстановления формы асферической поверхности оптической детали по параметрам отраженного волнового фронта, получаемым приборами с ДВФ позволяет получить уравнение формы исследуемой асферической поверхности и определить величину отклонения формы ΔS изготовленной поверхности от заданной путем вычисления разницы выражения (2) и заданного уравнения асферики

Принципиальным отличием является возможность восстановления формы асферической поверхности контролируемой детали.

3. Осуществление изобретения.

Пример осуществления изобретения

Для проверки работоспособности предлагаемого к патентованию способа восстановления формы асферической поверхности оптической детали по параметрам волнового фронта, получаемым приборами с ДВФ, в МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках НИР были проведены измерения на изготовленном авторами приборе (RU 2667323).

В качестве исследуемой оптической детали было взято параболическое зеркало (k=-1) с радиусом вершинной сферы 1736 мм и ошибкой формы PV=λ/8 (соответственно ошибка rms ~ λ/40) по паспорту.

Волновой фронт W_as датчиком волнового фронта определялся как набор полиномов Цернике, а сферический волновой фронт W_s в этой системе координат характеризовался коэффициентом С₂₁, называемым дефокусировка:

где h - половина диаметра измеряемой детали, а R_з - радиус ближайшей сферы, измеренный способом, приведенным в RU 2667323.

В результате восстановления поверхности получились следующие параметры уравнения параболической поверхности:

- вычисленный радиус вершинной сферы 1736,36 мм,

- коническая константа k=-0,9898,

- отличие восстановленного уравнения формы от исходного (ошибка rms) составило ~ λ/44.